Введение к работе
Актуальность работы. Повышение качества отливок является актуальной задачей на всех этапах развития литейного производства. В настоящее время более 80 % отливок получают из чугуна методом литья в разовые формы, в которых большая доля дефектов поверхности приходится на пригар. Пригар ухудшает товарный вид отливки, повышает затраты на их механическую обработку и удлиняет цикл производства отливок за счет увеличения длительности очистных операций. Все это приводит к удорожанию литых изделий. Наиболее доступным и распространенным способом предотвращения пригара является применение противопригарных покрытий, значительная часть которых в российские литейные цеха поставляется из-за рубежа, что не учитывает такие особенности отечественных литейных технологий, как составы формовочных и стержневых смесей, режимы литья, химический состав сплавов и т.д.
В настоящее время в России возникла необходимость создания технологий противопригарных покрытий из отечественных материалов. Значимость работы состоит также в том, что практически все запасы российского скрытокристаллического графита, являющегося одним из наиболее распространенных наполнителей покрытий различного назначения, сосредоточены в Красноярском крае. В то же время отсутствуют научно обоснованные технологии его использования для изготовления противопригарных покрытий. Поэтому в рамках данной работы были проведены исследования и предложены новые технологии изготовления противопригарных покрытий, основывающиеся на процессах окисления и активации природного графита и позволяющие получать отливки геометрической точности, надлежащей чистотой поверхности.
Актуальность работы подтверждается результатом диссертационных исследований, которые выполнялись в рамках проекта Т-2 «Теоретические основы отдельных и комплексных методов активации углеродсодержащих материалов различного кристаллохимического строения» в период 2011-2013 гг. по заданию Минобрнауки РФ. Результаты исследований и их значение для Красноярского края отмечены на региональном конкурсе молодежных инновационных научно-исследовательских проектов, проводимых ОАО АКБ «Международный финансовый клуб» в 2012 г.
Цель и задачи исследований. Повышение качества чугунных отливок за счет применения противопригарных покрытий на основе активированных скрыто кристаллических графитов красноярских месторождений (ГКМ).
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Диссертация выполнена при научной консультации канд. техн. наук, доц. Т.Р. Гильман-шиной
анализ влияния процессов химической и механохимической активации ГКМ на формирование их физико-химических свойств для применения в качестве наполнителя противопригарных покрытий;
разработка методик проведения исследований и программного обеспечения для определения поверхностных явлений на границе «твердое -жидкое»;
проведение комплексных исследований смачиваемости химически и механохимически активированных ГКМ расплавленным металлом и известными жидкими композициями, входящими в состав противопригарного покрытия;
разработка комплекса технических и технологических решений для создания противопригарных покрытий на основе химически и механохимически активированных ГКМ, обеспечивающих получение чугунных отливок с требуемой чистотой поверхности.
Научная новизна полученных результатов:
получены новые научные знания о влиянии режимов химической и механохимической активации ГКМ на формирование их физико-химических свойств для последующего использования в качестве наполнителя противопригарных покрытий;
установлено, что использование химически активированного ГКМ за счет применения их последующей механохимической обработки в энергонапряженных мельницах исключает образование в поверхностном слое покрытия легкоплавких фаз, что способствует несмачиванию покрытия расплавом чугуна и существенно снижает образование пригара на отливках;
исследованы закономерности смачивания ГКМ растворами связующих и расплавом чугуна, а также влияние на этот процесс физико-химического взаимодействия на поверхности раздела фаз;
впервые установлено повышение эффективности процесса активации ГКМ за счет совмещения окисления сульфида железа и образования водорастворимых сульфатов железа, кальция и магния с последующей обработкой в энергонапряженных мельницах.
Практическая значимость работы:
- разработано методологическое и программное обеспечение (про
грамма «AppSV», регистрационное свидетельство № 2012617194) оценки
смачиваемости графита для создания противопригарных покрытий в зависи
мости от свойств жидкой композиции;
разработана технология обработки ГКМ для их использования в качестве наполнителя противопригарных покрытий;
разработаны технологии получения противопригарных покрытий с применением активированных ГКМ, который обладает повышенными эксплуатационными свойствами, а именно: седиментационная устойчивость противопригарных красок в 1,5-2 раза выше, чем у стандартной графито-
бентонитовой краски, прочность покрытия - в 6-8 раз больше, а расход сухих компонентов снижен на 30-40 %;
- полученные в работе научные результаты исследований прошли про
мышленную апробацию и внедрены в учебный процесс студентов много
уровневой подготовки направления металлургия, профиль «Литейное произ
водство черных и цветных металлов», а также аспирантов по специальности
05.16.04 «Литейное производство».
Методология и методы исследования. При выполнении диссертационных исследований и использованы современные методы и методики исследования физико-механических свойств природных и активированных литейных графитов и противопригарных покрытий на современном оборудовании.
Положения, выносимые на защиту:
выявлен механизм формирования физико-химических свойств ГКМ и получено экспериментальное подтверждение, которое состоит в том, что механическая обработка химически активированных ГКМ в энергонапряженных мельницах исключает образование в поверхностном слое покрытия легкоплавких фаз, что обеспечивает несмачиваемость покрытия расплавом чугуна и существенно снижает образование пригара на отливках;
установлены особенности процесса активации ГКМ за счет совмещения окисления сульфида железа и образования водорастворимых сульфатов железа, кальция и магния с последующей обработкой в энергонапряженных мельницах;
разработано методологическое и программное обеспечение оценки смачиваемости графита для создания противопригарных покрытий при взаимодействии с жидкой фазой;
- разработаны технологии подготовки ГКМ и получения противопригарных покрытий, обладающие повышенными технологическими и эксплуатационными свойствами.
Личный вклад автора заключается в планировании экспериментов, выборе методики, их выполнении в лабораторных условиях ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и проведении опытно-промышленных испытаний в производственных условиях ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод» и ОАО «Ремонтно-механический завод» (г. Красноярск), в разработке параметров расчета характеристик смачиваемости материалов различными жидкостями, обобщении и научном обосновании результатов и в формулировке выводов. Проведенные работы осуществлялись совместно с соавторами, при этом в диссертацию включены результаты исследований, составляющих ту часть, которая получена непосредственно автором или при его ведущем участии.
Степень достоверности полученных результатов обеспечивалась применением научно-обоснованных методов исследований и обработки результатов, подтверждалась положительными результатами опытно-
промышленных испытаний противопригарных покрытиях с использованием активированных графитов.
Реализация работы в промышленных условиях. Результаты опытно-промышленного опробования в условиях ОАО «Сибирский инструментально-ремонтный завод» и ОАО «Ремонтно-механический завод» (г. Красноярск) показали возможность снижения пригара на чугунных отливках различной массы на 70-85 % и шероховатости с Rz40 до Rz20.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на IX Международной научно-технической конференции «Современные технологии освоения минеральных ресурсов» (Красноярск, 2011 г.); V съезде литейщиков России (Казань, 2011 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литей-но-металлургического производства» (Самара, 2012 г.); VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Молодежь и наука» (Красноярск, 2011-2012 гг.); XI международном съезде литейщиков России (Екатеринбург, 2013 г.); V международном конгрессе и выставке «Цветные металлы» (Красноярск, 2013 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 12 печатных трудах и тезисах докладов, из них 2 из перечня журналов, рекомендуемых ВАК, получено 1 свидетельство о государственной регистрации программы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 119 источников, и 3 приложений. Основной материал изложен на 128 страницах, включая 31 таблицу и 58 рисунка.
